The coldest materials in the world aren’t in Antarctica. They’re not at the top of Mount Everest or buried in a glacier. They’re in physics labs: clouds of gases held just fractions of a degree above absolute zero. That’s 395 million times colder than your refrigerator, 100 million times colder than liquid nitrogen, and 4 million times colder than outer space. Temperatures this low give scientists a window into the inner workings of matter, and allow engineers to build incredibly sensitive instruments that tell us more about everything from our exact position on the planet to what’s happening in the farthest reaches of the universe.
Les matériaux les plus froids ne sont pas en Antarctique. Ils ne sont pas au sommet du Mont Everest ou enterrés dans un glacier. Ils sont dans les laboratoires : des nuages de gaz maintenus à quelques fractions de degré au-dessus du 0 absolu. C'est 395 millions de fois plus froid que votre réfrigérateur, 100 millions de fois plus froid que le nitrogène liquide, et 4 millions de fois plus froid que l'espace. Des températures aussi basses permettent aux scientifiques d’étudier la matière et permettent aux ingénieurs de créer des instruments très sensibles qui nous en disent plus sur tout, de notre position exacte sur la planète à ce qui se passe aux confins de l'univers.
How do we create such extreme temperatures? In short, by slowing down moving particles. When we’re talking about temperature, what we’re really talking about is motion. The atoms that make up solids, liquids, and gases are moving all the time. When atoms are moving more rapidly, we perceive that matter as hot. When they’re moving more slowly, we perceive it as cold.
Comment pouvons-nous créer de telles températures ? En ralentissant les particules en mouvement. Lorsque nous parlons de température, nous parlons en réalité de mouvement. Les atomes qui forment les solides, les liquides et les gaz sont sans cesse en mouvement. Quand les atomes bougent plus rapidement, nous percevons la matière comme chaude. Lorsqu'ils se déplacent plus lentement, nous la percevons comme froide.
To make a hot object or gas cold in everyday life, we place it in a colder environment, like a refrigerator. Some of the atomic motion in the hot object is transferred to the surroundings, and it cools down. But there’s a limit to this: even outer space is too warm to create ultra-low temperatures. So instead, scientists figured out a way to slow the atoms down directly – with a laser beam.
D'habitude, pour rendre froid un objet ou un gaz chaud, nous le plaçons dans un environnement plus froid, comme un réfrigérateur. Une partie du mouvement atomique de l'objet chaud est diffusée et il refroidit. Mais il existe une limite : même l'espace est trop chaud pour créer des températures ultra-basses. Les scientifiques ont donc trouvé un moyen de ralentir directement les atomes - avec un rayon laser.
Under most circumstances, the energy in a laser beam heats things up. But used in a very precise way, the beam’s momentum can stall moving atoms, cooling them down. That’s what happens in a device called a magneto-optical trap. Atoms are injected into a vacuum chamber, and a magnetic field draws them towards the center. A laser beam aimed at the middle of the chamber is tuned to just the right frequency that an atom moving towards it will absorb a photon of the laser beam and slow down. The slow down effect comes from the transfer of momentum between the atom and the photon. A total of six beams, in a perpendicular arrangement, ensure that atoms traveling in all directions will be intercepted. At the center, where the beams intersect, the atoms move sluggishly, as if trapped in a thick liquid — an effect the researchers who invented it described as “optical molasses.” A magneto-optical trap like this can cool atoms down to just a few microkelvins — about -273 degrees Celsius.
Dans la majorité des cas, l'énergie du laser fait monter la température de l'objet. Mais utilisé d'une certaine façon, l'énergie du rayon peut bloquer le mouvement des atomes pour les ralentir. C'est ce qui se produit dans l'appareil appelé piège magnéto-optique. Les atomes sont injectés dans une chambre sous vide, et un champ magnétique les attire vers le centre. Un rayon laser visant le centre de la pièce est déclenché à la bonne fréquence pour qu'un atome se dirigeant vers lui absorbe un photon du rayon et ralentisse. L'effet de ralentissement vient du transfert d'énergie entre l'atome et le photon. Un total de six rayons, arrangés de façon perpendiculaire, assure que les atomes allant dans toutes les directions soient interceptés. Au centre, à l'endroit où les rayons se croisent, les atomes bougent au ralenti, comme s'ils étaient piégés dans un liquide épais - effet appelé « mélasse optique » par les chercheurs qui l'ont inventé. Un piège magnéto-optique comme celui-ci peut refroidir les atomes à seulement quelques microkelvins, soit - 273 degrés Celsius.
This technique was developed in the 1980s, and the scientists who'd contributed to it won the Nobel Prize in Physics in 1997 for the discovery. Since then, laser cooling has been improved to reach even lower temperatures.
Cette technique a été développée dans les années 80, et les scientifiques qui y ont contribué ont gagné le prix Nobel de physique en 1997 pour leur découverte. La technique a été améliorée pour obtenir des températures encore plus basses.
But why would you want to cool atoms down that much? First of all, cold atoms can make very good detectors. With so little energy, they’re incredibly sensitive to fluctuations in the environment. So they’re used in devices that find underground oil and mineral deposits, and they also make highly accurate atomic clocks, like the ones used in global positioning satellites.
Mais pourquoi voudrions-nous refroidir des atomes à ce point ? Tout d'abord, les atomes froids peuvent être de très bons détecteurs. Avec si peu d'énergie, ils sont incroyablement sensibles aux fluctuations de l'environnement, et sont donc utilisés dans des appareils qui détectent les gisements souterrains et dans les horloges atomiques de haute précision, comme celles utilisées dans les satellites de localisation.
Secondly, cold atoms hold enormous potential for probing the frontiers of physics. Their extreme sensitivity makes them candidates to be used to detect gravitational waves in future space-based detectors. They’re also useful for the study of atomic and subatomic phenomena, which requires measuring incredibly tiny fluctuations in the energy of atoms. Those are drowned out at normal temperatures, when atoms speed around at hundreds of meters per second. Laser cooling can slow atoms to just a few centimeters per second— enough for the motion caused by atomic quantum effects to become obvious. Ultracold atoms have already allowed scientists to study phenomena like Bose-Einstein condensation, in which atoms are cooled almost to absolute zero and become a rare new state of matter.
Ensuite, les atomes froids ont un potentiel énorme pour explorer les frontières de la physique. Leur sensitivité extrême en fait des candidats pour détecter les ondes gravitationnelles dans les futurs détecteurs spatiaux. Ils sont aussi utiles dans l'étude des phénomènes atomiques et subatomiques, où l'on doit mesurer des fluctuations d'énergie très fines dans les atomes. A des températures normales, celles-ci sont noyées, la vitesse des atomes étant de centaines de mètres par seconde. Le refroidissement laser ralentit les atomes à quelques centimètres par seconde, assez pour que le mouvement causé par les effets quantiques atomiques soit visible. Les atomes ultra froids ont déjà permis aux scientifiques d'étudier des phénomènes comme la condensation de Bose-Einstein, où les atomes sont refroidis pour quasiment atteindre le 0 absolu et deviennent un nouvel et rare état de matière.
So as researchers continue in their quest to understand the laws of physics and unravel the mysteries of the universe, they’ll do so with the help of the very coldest atoms in it.
Ainsi, les chercheurs poursuivent leur apprentissage des lois de la physique et résolvent les mystères de l'univers grâce à l'aide des atomes les plus froids de l'univers.